（电磁场与微波技术专业论文）射频功率放大器线性化技术研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术的飞速发展，出于对更高频谱利用率和更高功率效率的追 求，线性调制技术和高效率的射频功率放大器得到了广泛应用。但包络变化的调 制信号经过非线性射频功率放大器后会产生互调失真，造成严重的码问干扰及邻 近信道干扰。为保证通信质量需要使用高线性的功率放大器，而高效率的功率放 大器通常是非线性的。要解决这个问题，必须采用线性化技术来改善高效率功率 放大器的非线性特性。 本文首先从理论上分析了功率放大器的非线性特性，介绍了目前各种线性化 技术的原理和优缺点。然后针对射频预失真和前馈这两种最有发展潜力和实用价 值的线性化技术进行了详细的理论分析和计算机仿真。最后，实际加工制作了两 种射频( r f ) 预失真线性功率放大器电路，实物测试结论与理论分析相一致，可 广泛应用于卫星通信、移动通信等设备中，具有较高经济效益和实用价值。 本文主要的创造性成果有： 1 、提出r f 正交幂级数预失真线性功率放大器方案，可同时改善放大器幅度、相 位失真。 2 、使用查表法和邻道功率最小法建立了两种自适应预失真线性功率放大器，仿真 结果表明，采用自适应技术可以提高预失真线性功率放大器功率动态范围 3 、利用场效应管的栅压可控变阻特性建立了一种新颖的串联f e t 预失真线性功 率放大器，不用增加额外的器件，在线性化的同时还可提供一定增益，克服了 常用模拟预失真器插入损耗大的缺点。 4 、针对以往相关研究中辅助放大器非线性特性对整个前馈系统性能影响分析不 全面的问题，在环路失配情况下，全面分析了前馈系统辅助功率放大器非线性 对整个前馈系统性能的影响，得出系统性能与电路参数和幅度、相位失配的关 系式。 5 、提出了降低前馈系统辅助功率放大器功率容量的判断条件。在考虑辅助功率放 大器非线性对整个前馈系统性能影响的前提下，对于给定的主功率放大器，可 以根据系统要求选择功率容量最低的辅助放大器，提高了整个前馈系统的电源 效率，降低了成本。 6 、制作了查表白适应预失真线性功率放大器电路，性能优良，具有很高的实用价 值和良好的经济效益。 7 、制作了串联f e t 预失真线性功率放大器电路，测试结果与理论分析相一致， 可广泛应用于卫星通信、移动通信系统中。 2 射频功率放火器线性化技术研究 关键词：射频功率放大器线性化预失真前馈 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i no r d e rt om a k em o r e e f f i c i e n tu s eo ff r e q u e n c ys p e c t r u ma n da c h i e v eg r e a t e rp o w e re f f i c i e n c y ，t h el i n e a r m o d u l a t i o nm e t h o d sa n dh i g h e f f i c i e n c yr a d i of r e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e r sa r ew i d e l y u s e d s i n c et h ee n v e l o p eo fm o d u l a t e ds i g n a lf l u c t u a t e s ，u n w a n t e di n t e r m o d u l a t i o n d i s t o r t i o n sg e n e r a t e dw h e nt h es i g n a li sa m p l i f i e db yt h en o n l i n e a rr fp o w e r a m p l i f i e r s t h e i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n sw i l ll e a dt o s e v e r e l yi n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c ea n da d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e t h eh i g hl i n e a rp o w e ra m p l i f i e rh a st o b eu s e dt og u a r a n t e ec o n u n u n i c a t i o nq u a l i t y u n f o r t t m a t e l y , p o w e re f f i c i e n ta m p l i f i e r s a r et y p i c a l l yn o n l i n e a r f o rs o l v i n gt h i sp r o b l e m ，v a r i o u sl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u e sh a v e b e e ne m p l o y e dt oi m p r o v e l t h el i n e a r i t yo f h i g he f f i c i e n c yp o w e ra m p l i f i e r i nt h i st h e s i s ，t h en o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e ra m p l i f i e ra r ea n a l y z e di n t h e o r ya tf i r s t t h ep r i n c i p l e ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sl i n e a r i z a t i o n t e c h n i q u e sa r ed i s c u s s e d t h e n ，d e t a i l e dt h e o r ya n a l y s i sa n dc a ds i m u l a t i o n s a r e c a r r i e do nf o rr fp r e d i s t o r t i o nl i n e a r i z a t i o na n df e e d f o r w a r dl i n e a r i z a t i o n ，b e c a u s e t h e s et w ok i n d s o fl i n e a r i z a f i o nt e c h n i q u e sa r em o s ti m p o r t a n ta n dh a v eg r e a t e r p r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e ：a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，t w ot y p e so fr fp r e d i s t o r t i o n l i n e a rp o w e ra m p l i f i e rc i r c u i t sh a v eb e e nf a b r i c a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e4 i n g o o da g r e e m e n tw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s i ti n d i c a t e st h et w ot y p e so fr fp r e d i s t o r t i o n l i n e a r p o w e ra m p l i f i e r s h a v et h e a d v a n t a g e s i nt h e a p p l i c a t i o n s o fs a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ec o n t r i b u t i o n so f t h et h e s i sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 ar fq u a d r a t u r ep o w e rs e r i e sp r e d i s t o r t i o nl i n e a r i z e ri sp r e s e n t e d t h i st e c h n i q u e c a ne f f i c a c i o u s l yc o r r e c tf o rb o t ha m p l i t u d ea n dp h a s ed i s t o r t i o no fp o w e r a m p l i f i e r s 2 i n d i v i d u a l l yc o n t r o l l e db yl o o k - u pt a b l ea n da d j a c e n tc h a n n e lp o w e rm i n i m i z a t i o n ， t w ok i n d so fa d a p t i v ep r e d i s t o r t i t ml i n e a r i z e ra r ef o r m e da n ds i m u l a t e dw i t h c o m p u t e r s i m u l a t i n g r e s u l t ss h o wt h a t a d a p t i v e c o n t r o lt e c h n o l o g i e sc a n e f f i c a c i o u s l ye x t e n dd y n a m i cr a n g e o fl i n e a rp o w e ra m p l i f i e r s 3 an o v e ls e r i e sf e tp r e d i s t o r t e ri sd e v e l o p e db yu t i l i z i n gt h eg a t e v o l t a g e c o n t r o l l e dv a r i a b l er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i co ff e t u n l i k ec o m m o np r e d i s t o r t e r s t h a th a v eg r e a ti n s e r tl o s s ，t h i st e c h n o l o g yc a no f f e rs o m ep o w e rg a i nw h i l e 3 4 射频功率放人器线性化技术研究 l i n e a r i z et h ea m p l i f i e rw i t h o u ta d d i t i o n a lc o m p o n e n t s 4 u n d e rt h ec o n d i t i o no fl o o pi m b a l a n c ei nf e e d f o r w a r dl i n e a r i z a t i o n s y s t e m ， i n v e s t i g a t i o n sa r em a d eo nt h ee f f e c t so ft h ef u r t h e rn o n l i n e a rd i s t o r t i o np r o d u c e d b ya u x i l i a r ya m p l i f i e ro nt h eo v e r a l ll i n e a rp e r f o r m a n c e t h es y s t e mp e r f o m a n c ei s p r e s e n t e da saf u n c t i o no f c i r c u i tp a r a m e t e r s ，p h a s ea n da m p l i t u d ei m b a l a n c e 5 c r i t i c a lc o n d i t i o n sf o rr e d u c i n gt h ep o w e rl e v e lo fa u x i l i a r ya m p l i f i e ra r ep r e s e n t e d f o rg i v e nc i r c u i tp a r a m e t e r sa n dr e q u i r e m e n to fs y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h em i n i m u m p o w e rl e v e l o fa u x i l i a r ya m p l i f i e rc a nb ev a l i d l yp r e d i c t e d i tc a ni m p r o v et h e p o w e re f f i c i e n c ya n dm i n i m i z et h ec o s to f f e e d f o r w a r dl i n e a r i z a t i o ns y s t e m 6 a na d a p t i v ep r e d i s t o r t i n gl i n e a ra m p l i f i e rb a s e do nl o o k - u pt a b l em e t h o di s f a b r i c a t e d t h er e s u l t so fm e a s u r e m e n ts h o wt h a tt h et e c h n o l o g yc a ng r e a ti m p r o v e t h el i n e a r i t yo f a m p l i f i e r t h i sc i r c u i ti sv a l u a b l ei np r a c t i c e 7 as e r i e sf e tp r e d i s t o r t i o nl i n e a r i z e rc i r c u i ti sc o n s t r u c t e d e x p e r i m e n tr e s u l t sa r e i ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s oi tc a l lb ew i l d l yu s e di ns a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 。k e y w o r d ：r fp o w e ra m p l i f i e r l i n e a r i z a t i o np r e d i s t o r t i o nf e e d f o r w a r d 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导卜进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了渤意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：到竖r 期呈竺! 箜! z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期白j 论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电予科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校町以公如论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权一瞰 r 本人签名 导! j i | j 签名 刻猩i j l j j 堑! 堕! z 第章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 随着2 l 世纪的到来，人类社会已步入信息时代，社会信息化极大的改变了人 类社会的生产、工作、学习和生活方式，人们对信息的依赖与需求越来越大，随 时随地、迅速可靠的与通信的另一方进行任何方式的信息交流成为人们不断追求 的目标。移动通信作为现代通信技术中不可缺少的一部分，最近几十年更是发展 迅速【“。由于第一代移动通信系统使用模拟式频分多址( f d m a ) 技术，系统容量 小，业务类型单一( 主要是语音服务) ，在经历过8 0 年代的辉煌后，很快被2 0 世 纪9 0 年代推出的数字式第二代移动通信系统所替代。虽然使用至今的第二代移动 通信系统由于采用了数字化处理方式及时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 技术，系统容量和性能比第一代移动通信系统有明显提高但是仍只能提供语音 及低速率数据业务服务，远远不能满足人们对图像、语音与数据相结合的多媒体 业务和高速率数据传输业务的需求，而且随着移动用户的迅猛增长，现在的系统 容量也不能满足未来发展需要。使用q p s k ( 正交相移键控) 、q a m ( 正交幅度调 制) 等线性调制技术，数据传输速度更快、频带利用效率更高的第三代移动通信 系统进入市场已经指日可待【2 _ “。 国际电信联盟o t u ) 确定的第三代移动通信系统主流无线接口标准主要有以下 三种：w - c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。无论采用哪种标准其r f 信号都 具有多载波，信号谱动态范围大的共同特点。由于功率放大器存在非线性( 通常可 由放大器的a m - a m 和a m p m 变换特性来描述) ，非恒定包络的线性调制信号通过非 线性放大器后将会产生互调失真，造成频谱扩展，落于信道带内的失真增加了误 码率，而带外再生的频谱对于邻近信道用户来说又是一个潜在的干扰源【5 。j 。为满 足通讯质量的要求，地面蜂窝系统及p c n 基站由于受远近效应及多径衰落的影响。 要求互调失真产物至少低于有用信号6 0 d b ，即载波一互调功率比大于6 0 d b c 。卫 星通讯系统虽然没有远近效应和多径衰落的问题，也要求至少4 0 d b c 的载波一互 调功率比。因此，在第三代移动通信系统即将投入实用的今天，高线性的功率放 大器的研究越来越为人们所关注。 除了移动通信系统和卫星通信系统，采用q a m 调制的s d h ( s y n c h r o n o u s d i g i t a lh i e r a r c h y ) 同步数字微波传输系统【8 9 】和使用c o f d m ( 编码正交频分多路) 体制的h d t v ( 高清晰度数字电视) 也对放大传输过程中的线性度提出了苛刻的 要求m 。5 1 ；以软件无线电为代表的新兴无线通信技术从本质上也要求线性、宽带 射频功率放人器线性化技术研究 的发射机技术l l6 ”j 。而在各种通信系统中，射频( r f ) 功率放大器是发射机系统 中非线性失真的主要产生源。r f 功率放大器的非线性失真不但会消除由于线性调 制方法的应用而得到的频谱效率的任何优点，还会导致波束宽度、旁瓣抑制、零 位深度等一系列天线性能指标变差【】”。因此，线性功率放大器设计技术已经成为 线性化发射机系统的关键技术。 虽然a 类功率放大器线性度较好，但效率低下，电源利用率一般仅为1 - - 5 ， 而且难以把功率放大到几十瓦量级i l 。为了解决这个问题，只能通过合理设计外 围电路，使已有的高效率功率放大器( a b 或c 类) 线性化，同时尽量提高系统效 率，降低供电系统的能量消耗( 这一点在移动通信的便携端及卫星通信中是尤为 重要的) ，这就是本文所要研究的重点：r f 功率放大器线性化技术。 1 2r f 功率放大器线性化技术的发展及研究现状 功率放大器线性化技术研究始于上个世纪二十年代。1 9 2 8 年贝尔实验室的 h s b l a c k 发明了前馈和负反馈技术并应用到放大器设计中，有效的减少了放大器 失真，可以认为是功放线性化技术研究的开端【2 0 捌1 。但那时主要是从器件本身的 角度来提高功率放大器的线性度，所研究的功率放大器频率也较低。随着无线通 信技术的兴起和发展，从上个世纪七八十年代开始，射频功率放大器的线性化技 术得到飞速发展【2 m 引。 射频功率放大器的线性化方法有笛卡尔环、极性环、模拟预失真、前馈法、 l i n c ( l i n e a ra m p l i f i c a t i o n u s i n g n o n l i n e a r c o m p o n e n t s ) 、e e r ( e n v e l o p e e l i m i n a t i o n a n dr e s t o r a t i o n ) 等许多种，但按其基本技术原理大致可以分为反馈、前 馈、预失真三大类。 反馈线性化技术应用最早，它的发明虽然晚于前馈法，但由于其电路简单， 在线性化技术发展早期是最主要的线性化技术，目前仍广泛应用于音频功率放大 器线性化领域。然而在射频领域，因为稳定性及延时等因素，r f 反馈回路构造困 难，直接反馈很少使用，多采用间接反馈技术改进形式，如笛卡尔环、极性环反 馈，其中笛卡尔环直接对基带i 、q 信号进行控制，是数字线性化技术的切入点1 2 圳。 尽管由于受视频带宽限制及稳定性的影响，反馈法工作带宽窄，处理多载波信号 能力较差，但由于其结构简单，控制方便，是闭环自适应线性化技术必须的组成 部分 3 1 - 3 3 1 。 预失真技术起源较晚，1 9 5 9 年m a c d o n a l d 提出用相反的非线性特性来补偿三极 管自身非线性的方法，这就是基本的模拟预失真思想【m 1 。早期的模拟预失真技术 主要应用于有线电视和卫星通信系统中3 8 】。1 9 世纪8 0 年代以后，预失真技术开 始飞速发展出现了数字预失真技术和自适应控制预失真技术，主要的应用对象 第一章绪论 也转变为移动通信系统p ”。r f 模拟预失真属于丌环线性化技术，其校准精度不 如闭环系统，线性改善度有限。它的优点在于不存在稳定性问题，频带宽，电路 简单，成本低廉，是目前应用最广泛的功率放大器线性化技术。特别是在一些对 体积、电源效率有严格要求的应用场合( 如手持移动通信设备、卫星通信设备) ， 预失真法仅用少量额外元件就可以降低互调失真产物几个d b ，但这是关键的几d b 。 前馈技术起源最早，发展最晚。早在h s b l a c k 发明反馈技术大约9 年前，他就 发明了前馈线性化技术1 2 0 川。虽然前馈线性化技术具有无条件稳定，线性度高， 线性度与增益无直接关系，噪声系数好等优点但是由于当时器件工艺水平所限， 前馈技术所要求的相位、幅度和延时匹配较难实现，在问世后的二十多年旱一直 被人们所忽视，直至l j m c m i l l a n l 4 6 1 和v a nz e l s t l 4 7 1 将反馈技术与前馈技术用于同一系 统中才引起人们的关注，并出现了一系列相关文章1 4 8 , 4 9 t 。现代意义上应用于r f 放 大系统的前馈线性化技术是1 9 6 8 年贝尔实验室的s e i d e l 等人开始并发展的 5 0 , 5 q ，但 其发展步伐远远落后于预失真线性化技术，直到近几年，以码分多址( c d m a ) 技术为基础的2 5 g 和3 g 通信技术迅速进入应用领域，对线性放大技术提出了更高 的带宽要求和更高线性度要求，反馈法和预失真法已不能满足要求。与此同时， 电子器件制造和数字信号处理技术的不断进步，使得实现前馈线性化技术所需要 的精确相位、幅度和延时平衡控制成为可能，前馈技术才得到重视，成为目前最 热门的线性化技术【5 。”j 。虽然前馈技术结构复杂，在整个频率范围内温度和时间 的校准精度完全依赖系统内各元件的精度，系统内不同元件的增益、相位跟踪特 性也必须保证，而且要稳定，但它是目前唯一能满足宽带、多载波系统功率放大 器的线性化指标的技术，因此也是线性化技术研究的焦点。 上面仅是一个大致的分类，许多线性化技术并不能简单的归为上面哪一类， 而是多种技术的组合，如自适应基带预失真线性放大器1 58 ”j 、二次谐波反馈预失 真线性放大器1 6 0 就是将反馈技术与预失真技术相结合。预失真技术与前馈技术相 结合也是常用的方法1 6 1 , 6 2 1 。另外随着数字处理技术和电路技术的发展，使用d s p 的数字式线性化技术也越来越为人们所关注，由于信号的预失真处理全在基带频 率上进行，无需处理复杂的射频电路，系统控制非常方便，但是系统所能处理的 最高信号速率受制于d s p 的运算速度1 6 ”，同i j , j - d s p 系统所消耗的功率也非常大，成 本也比较高。现在使用d s p 的线性化技术的研究重点不在于具体的r f 电路上，而 是多集中于环路延时的估算方法，及自适应优化迭代算法的研究上【4 、6 4 - 6 6 。 目前在国际上，无论学术界还是工业界对射频功放的线性化技术研究都非常 重视。每年发表在i e e e 直接相关论文多达四、五十篇，同时每年都有上百个相关 专利被申请，仅在2 0 0 1 年批准的相关专利就超过1 5 0 个【6 “。由于线性化功率放大器 是3 g 系统中至关重要的组成部分，b e l l 、p o w e r w a v e 、a n d r e w 等专业技术公司及摩 托罗拉、爱立信等系统供应商均已丌发了针对3 g 系统的线性功率放大器组件或元 4 射频功率放人器线性化技术研究 器件。 近几年来，国内对功率放大器线性化技术研究已经开始重视，东南大学、西 安电子科技大学、电子科技大学、浙江大学、华中科技大学等院校已经丌始了这 方面的研究1 6 8 ”】，华为、中兴等通信设备公司也进行了线性功放的研制。但由于 国内相关研究起步晚，学术研究论文数量与国外相比相差很远专利申请更不乐 观，产品性能与国外也有一定差距。据估计，出于性能与成本考虑，我国3 g 基站 使用的线性功放将主要从国外进口，为了改变这一局面，就需要国内的科研院所 对功率放大器线性化技术研究投入更大的研发力量。本论文的所做的工作也是希 望能够为国内线性功率放大器研究尽一份绵薄之力。 1 3 论文的内容安排及主要工作成果 1 3 1 论文的主要工作及内容安排 本论文的研究主要围绕射频预失真和目百馈这两种最有发展潜力和实用价值的 线性化技术展开，内容大致分为四部分： 篼一部分是放大器非线性的理论分析及线性化方法介绍，主要为后面的分析 研究提供理论基础，由论文的第二、第三章构成。在第二章中，首先将r f 功率 放大器看作一个无记忆非线性系统，用a m a m 转换、a m p m 转换、谐波失真、 互调失真和交调失真等描述其非线性特性，引入放大器增益、l d b 压缩点、三阶 截止点等相关技术指标的定义，并得出这些指标之阃的近似转换公式。然后介绍 了放大器各种数学模型，针对不同应用场合使用适当的数学模型可以在保证一定 精确性的前提下简化分析过程。如果要分析的系统实际工作带宽相对于系统内所 使用器件的带宽是非常窄的，则认为系统非线性特性是和频率无关的。可以使用 相对简单的无记忆非线性数学模型如t a y l o r 级数模型、s a l e h 函数无记忆模型。 若需分析宽带功率放大器系统，频率依赖效应就不可忽略，a m a m 、a m p m 失 真特性将随着频率的改变而变化，这时就要采用v o l t e r r a 级数模型、广义幂级数 模型等记忆效应非线性模型来分析。第三章早详细分析了目前各种线性化技术的 线性化原理、系统构成和各自的优缺点，介绍分析了放大器线性度的各种测量方 法。双音测试得到的载波与三阶互调功率比是简单信号环境下理想的放大器线性 指标度量单位，但对于复杂的多载波数字调制系统双音测试就不能准确的反映 系统的线性指标，这种情况下，a c p r ( 邻道功率比) 替代载波一互调功率比成 为描述非线性的度量单位。 论文的第二部分是对r f 模拟预失真技术的研究，位于论文的第四章。预失真 4 射频功率放火器线性化技术研究 器件。 近几年来，国内对功率放人器线性化技术研究已经开始重视，东南大学、西 安电子科技大学、电了科技大学、浙江大学、华中科技大学等院校已经丌始了这 方面的研究【6 8 。”】，华为、中兴等通信设备公司也进行了线性功放的研制。但由于 国内相关研究起步晚，学术研究论文数量与国外相比相差很远，专利申请更不乐 观，产品性能与国外也有一定差距。据估计，出于性能与成本考虑，我国3 g 基站 使用的线性功放将主要从国外进口，为了改变这一局面，就需要国内的科研院所 列功率放大器线性化技术研究投入更大的研发力量。本论文的所做的工作也是希 望能够为国内线性功率放大器研究尽一份绵薄之力。 1 3 论文的内容安排及主要工作成果 1 3 1 论文的主要工作及内容安排 本论文的研究主要围绕射频预失真和前馈这两种最有发展潜力和实用价值的 线性化技术展开，内容大致分为四部分： 第部分是放大器非线性的理论分析及线性化方法介绍，主要为后面的分析 1 研究提供理论基础，由论文的第二、第三章构成。在第二童中，首先将r f 功率 放大器看作一个无记忆非线性系统，用a m a m 转换、a m p m 转换、谐波失真、 互调失真和交调失真等描述其非线性特性，引入放大器增益、l d b 压缩点、三阶 截止点等相关技术指标的定义，并得出这些指标之问的近似转换公式。然后介绍 了放大器各种数学模型，针对不同应用场合使用适当的数学模型可以在保证一定 精确性的前提下简化分析过程。如果要分析的系统实际工作带宽相对于系统内所 使用器件的带宽是非常窄的，则认为系统非线性特性是和频率无关的，可以使用 相对简单的无记忆非线性数学模型如t a y l o r 级数模型、s a l e h 函数无汜忆模型。 若需分析宽带功率放大器系统，频率依赖效应就不可忽略a m a m 、a m p m 失 真特性将随着频率的改变而变化，这时就要采用v o l t e r r a 级数模型、广义幂级数 模型等记忆效应非线性模犁来分析。第三章早详细分析了目前各种线性化技术的 线性化原理、系统构成和各自的优缺点，介绍分析了放大器线性度的各种测量方 法。双音测试得到的载波与三阶互调功率比是简单信号环境下理想的放大器线性 指标度量单位，但对于复杂的多载波数字调制系统，双音测试就不能准确的反映 系统线性指标，这种情况下，a c p r ( 邻道功率比) 替代载波一互调功串比成 为描述非线性的度基单化。 论文的第二部分是对r f 模拟颓失真技术的研究，位于论文的第四章。预失真 论文的第二部分是对r f 模拟颓失真技术的研究，位于论文的第四章。预失真 第一章绪论 线性化技术电路简单、成本低廉，是功放线性化指标要求不高时理想的线性化技 术，在卫星通信设备、移动通信设备中有着广泛的应用。对于常用r f 模拟预失真 器存在的一些缺点，本文提出三种新颖的r f 模拟预失真方案，并采用a g i l e n t t e c h n o l o g i e s 公司的电路仿真软件a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 验证了分析结论 是正确可行的。这三种r f 模拟预失真方案分别是： 一、r f 正交幂级数预失真放大器。 常用幂级数预失真器( 如反向并联二极管预失真器等) 的线性化原理是基于 非线性系统的幂级数( 即t a y l o r 级数) 模型基础上的，而放大器的幂级数模型仅表 示出放大器的a m - - a m 失真特性，不能体现出a m p m 失真，因此单个幂级数预 失真器存在不能同时改善放大器幅度、相位失真的缺点。本文根据放大器的a m a m 、a m p m 失真数据使用两路正交幂级数构建放大器带通模型，将放大器的幅 度、相位失真特性用两个不存在相位失真只存在幅度失真的正交信道来表示，进 而使用两个简单的反向并联二极管幂级数预失真器构建一个r f 正交预失真器，仿 真结果表明采用r f 正交幂级数预失真器对放大器的a m a m 、a m p m 失真均有 较好的改善效果，且具有模拟预失真器不受信号速率、调制方式限制，电路简单， 成本低、功耗小的优点。 二、自适应r f 预失真放大器 不加自适应控制的预失真线性功率放大器有一个很大的缺点是功率动态范围 小，仅在很小的功率范围内有线性化作用，因此在实际使用中有很大局限性。为 了克服这个缺点，分别采用开环查表法和闭环邻道功率最小法设计了两种自适应 r f 预失真线性功率放大器。针对应用于室内无线分布系统的线性干线放大器设计 实例，比较仿真结果并从工程实用性考虑，查表自适应预失真方案电路简单、成 本低、功耗小，更具实际应用价值。 三、串联f e t 预失真放大器 仍然从工程实用性考虑，常规预失真器插入损耗较大，需要增加额外线性功 放补偿增益损失，这样降低了效率，增加了成本。而场效应管( f e t ) 放大器在 偏置于一定状态下可产生变阻作用，相当于一个栅压控制可变电阻器。因此可以 利用场效应管放大器构成一种新颖的串联f e t 预失真器，应用于放大器前级，不 需要增加额外的器件，便于集成，并能在线性化的同时提供一定的增益。 论文的第三部分着重研究了前馈线性化技术。前馈线性化技术是目前唯一能 满足宽带、多载波系统功率放大器线性化指标的技术，但由于工作机理所限需 要附加辅助功率放大器，对相位、幅度匹配要求严格，且对辅助功放再次产生的 非线性失真无法补偿，因此在设计时必须很好的选择器件参数，尤其是对辅助功 放的选择。在论文的这部分内容中首先分析了环路中幅度、相位、延时失配对整 个前馈系统性能的影响，针对以往相关研究中辅助放大器非线性特性对整个前馈 6 射频功率放人器线性化披术研究 系统性能影响分析不全面的问题，全面分析了辅助功放非线性对系统性能的影响， 得出了系统性能与电路参数和幅度、相位失配的关系式。然后分析了辅助功放效 率对整个前馈系统效率的影响，发现降低辅助功放功率容量对提高前馈系统整体 效率和降低成本大有帮助。考虑辅助功放非线性对前馈系统性能的影响，提出了 降低辅助功放功率容量的判断条件，从而可以根据电路参数预先估算出系统最终 性能，或在保证整体性能并提供一定安全余量的前提下，选择功率容量最小的辅 助放大器，以减小系统成本、提高系统效率。仿真验证了分析结论正确可行，具 有一定工程指导意义。以上内容在论文的第五章给出。 第四部分内容就是论文的第六章。这一章主要是根据前面的仿真，完成了功 率查表自适应预失真和串联f e t 预失真两种线性功率放大器电路的实物加工和测 试。测试结果表明查表白适应预失真放大器在输出功率1 0 d b 动态范围内，载波与 三阶互调失真功率比改善达到了1 0 d b 以上，在l d b 压缩点回退0 7 d b 至回退6 d b 范围 内，载波与三阶互调失真功率比改善达n 2 5 d b 以上。与前馈线性化技术改善量相 当；串联f e t 预失真线性功率放大器使用w - c d m a 信号测试邻道功率比( a c p r ) 改善5 d b ，双音测试三阶互调改善9 d b ，在线性化的同时还提供了7 d b 的增益。实 物测试与理论分析相一致，可广泛应用于卫星通信、移动通信等设备中，具有较 高经济效益和实用价值。 1 3 2 本论文的主要工作成果 本论文的主要创造性成果有： l 、提出r f 正交幂级数预失真线性功率放大器方案，由两路j 下交的模拟幂级数 预失真器构成，克服了单路幂级数预失真器不能同时改善放大器幅度、相位失真 的缺点，适用于对相位失真要求较高的场合。 2 、针对一个实际功率放大器，使用查表法和邻道功率最小法建立了两种自适 应预失真线性功率放大器。预失真线性功率放大器有一个很大的缺点是功率动态 范围小，仅在很小的功率范围内有线性化作用，因此在实际使用中有很大局限性。 为了克服这个缺点，分别采用开环查表法和闭环邻道功率最小法设计了两种自适 应r f 预失真线性功率放大器。仿真结果表明，采用自适应技术可以提高预失真 线性功率放大器适用的功率动态范围。并针对应用于室内无线分布系统的线性干 线放大器设计实例，比较仿真结果并从工程实用性考虑查表自适应预失真方案 电路简单、成本低、功耗小，更具实际应用价值。 3 、提出一种新颖的串联f e t 预失真线性功率放大器。常规预失真器插入损耗 较大，需要增加额外线性功放补偿增益损失，这样降低了效率，增加了成本。而 场效应管( f e t ) 放大器在偏置于定状态下可产生变阻作用，相当于一个栅压控 笫一章绪论 制可变电阻器。利用场效应管的这利，特性可以构成一种新颖的串联f e t 预失真器， 不用增加额外的器件，在线性化的同时还可提供一定增益。与国外相关文献报道 的串联二极管预失真器相比，线性改善度相当，但克服了常用模拟预失真器插入 损耗大的缺点。 4 、全面分析了前馈系统中辅助功放非线性对整个前馈系统性能的影响，得出 系统性能与电路参数和幅度、相位失配的关系式。在国际上以往的相关研究中， 要么忽略了辅助放大器非线性特性对整个前馈系统性能影响：要么仅考虑了残余 载波信号之间产生的非线性失真的影响，但忽视了残余载波与主功放互调分量之 间再次产生的与载波信号同频的非线性失真信号的影响。本文详细分析了信号对 消环失配时辅助功率放大器再次产生的互调失真分量对整个前馈系统性能指标的 影响，并推导出极端情况下的系统输出载波一互调功率比与电路参数的关系式。 使用本文推导的关系式可以根据器件参数估计出系统最终性能，或根据系统性能 要求，计算出所需器件的最低指标要求。仿真结果与理论分析相一致，具有一定 的实践指导意义。 5 、提出了降低前馈系统辅助功率放大器功率容量的判断条件。以前的相关研 究中均忽略了信号对消环不平衡条件下辅助功放非线性效应对整个前馈系统性能 的影响。本文分析了辅助功放效率对前馈系统整体效率的影响，在考虑辅助功率 放大器非线性对整个前馈系统性能影响的前提下，对于给定的主功率放大器，可 以根据系统要求选择功率容量最低的辅助放大器，提高了整个前馈系统的电源效 率。降低了成本。仿真验证了分析结论是正确可行的，具有一定的实践指导意义。 6 、实际制作了应用于室内无线分布系统干线放大器的查表自适应预失真线性 功率放大器电路。测试结果表明在1 0 d b 输出功率动态范围内，载波与三阶互调失 真功率比改善1 0 d b 以上，在l d b 压缩点回退0 7 d b 至回退6 d b 范围内，载波与三阶互 调失真功率比改善达至j j 2 5 d b 以上，与前馈线性化技术改善量相当，但电路复杂度 和成本远远低于前馈线性化系统。达到了设计目的，可在实际工程中应用，具有 很高的实用价值和良好的经济效益。 7 、制作了串联f e t 预失真线性功率放大器电路。使用w c d m a 信号测试邻道 功率比( a c p r ) 改善5 d b ，双音测试三阶互调改善9 d b 。与国外相关文献报导中 的串联二极管预失真技术线性改善量相当。但本电路在线性化的同时还提供了7 d b 的增益，克服了常用模拟预失真器插入损耗大的缺点，适合级联放大器前级使用， 不增加额外器件，便于集成，具有很高的工程应用价值和良好的经济效益。 射频功率放人器线性化技术研究 第二章射频功率放大器非线性特性分析 2 1 射频功率放大器非线性失真特性 通信系统中，信号带宽是有限的，而且存在噪声与干扰。如认为系统为线性 系统，它的特性可用传递函数h ( j m ) = l h ( j c o ) 【e x p j ( c o ) 】表征。当i h ( j c o ) i 或 ) 与频率有关时，这种失真称为“频率失真”，有时又称为“线性失真”。例如， 假定输出信号y ( ，) 是一延迟信号x ( f ) 按比例改变的模型，则出现无失真传输，即 有y ( t ) = k x ( t r o ) 。 如果认为系统为非线性的，不能简单地用传递函数来描